一种基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及嵌入式技术、无线传感网技术，具体涉及具有移动协调节点与数据暂 存机制的无线簇型路由算法的猪舍环境监控方法。
【背景技术】
[0002] 目前我国养猪业正向着大型化的趋势发展，猪舍的信息化管理日益重要。目前猪 舍环境的监控与调节大多都采用人工现场控制，不仅占用大量的人力，在实时性、可操作性 等方面也存在着明显的不足。而且传感器与处理器之间一般都以有线接入为主，导致猪舍 里线路复杂，维护更新很困难。所以急需设计出一种智能化的信息管理系统来解决这些问 题。而无线传感器网络因其体积小、造价便宜、安装方便、便于检测环境信息等优点，使其在 现代大规模的动物养殖生产中广泛应用。
[0003] 节点的能量有限是无线传感器网络的一个显著不足之处，所以我们要尽可能的减 少节点的能量消耗。目前，在节点能量优化算法方面，国内外已经做了大量研究。如王莹莹 等针对均匀分簇所造成的能耗不均问题，提出了一种能耗均衡的非均匀分簇算法E-BUCA， 加入一个节点密度函数，增大高密度区域节点成为簇头的概率，减少低密度区域节点成为 簇头的概率，使簇头根据节点的分布情况相对均勾的分布在网络中；Pratyay Kui 1 an等人 提出一种基于能量有效性分簇的粒子群优化算法，此算法分为路由算法和分簇算法两部 分，路由算法由高效的粒子编码方案和多目标适应度函数发展而来，分簇算法是通过负载 平衡来考虑节点的剩余能量而提出的；Saeid Mottaghi等人提出了一种加入移动协调节点 和汇合节点的LEACH优化算法，通过协调节点的移动，缩短通信的距离，降低了网络的总能 耗。但其加入汇合节点使得整个算法略显繁琐;Ritwik Banerjee等人提出了一种加入移动 基站的优化路由算法，解决了各簇的负载平衡问题和固定基站引起的能量空洞的问题。但 其只是平均了簇头能量的消耗，而没有减少网络整体的能量消耗；已有的协议对无线传感 网络都有不同程度的优化，但均没有充分考虑到减少簇头的能量消耗，所以本发明在总结 前人的基础上，在各个簇头与移动协调节点（小车）之间的传输距离上做了优化处理，通过 簇头数据暂存机制和协调节点的移动来缩短协调节点与簇头的通讯距离，从而解决了通讯 距离较远的簇头能量消耗过快的问题，形成了一个适合运用到猪场环境监控系统中的新算 法。
【发明内容】
[0004] 本发明目的：为了实现猪舍环境监控系统良好运行，设计出一种基于移动协调节 点与数据暂存机制的猪舍监控系统，重点对其中的无线传感网络进行优化。通过加入一个 移动的协调节点（小车），对无线传感网络的簇头节点与协调节点之间的传输距离进行优 化，从而降低系统的能量消耗，延长网络的寿命，保证系统的良好运行。
[0005] 本发明设计了基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍环境监控方法，实现对养 猪场环境的智能化调控。本发明采用的技术方案是:一种基于移动协调节点与数据暂存机 制的猪舍监控方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤1，构建基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控系统，该系统主要由信 息采集系统、信息管理系统以及远程监控端三部分组成;信息采集系统主要由终端节点、簇 头节点和协调节点组成的无线传感网络构成，终端节点和簇头节点采集猪舍内的环境信 息，通过ZigBee无线技术把信息发送至协调节点。协调节点负责信息的整合处理，然后再把 信息发送到信息管理系统；信息管理系统中，在tiny6410平台上移植数据库和web服务器， 通过wifi技术使tiny6410连接入互联网；远程监控端是用户通过互联网访问现场控制器的 终端。
[0007] 步骤2,基于移动协调节点与数据暂存机制的路由算法设计:包括根据网络节点的 阈值T (η)选择出簇头节点；选择好簇头节点后，其他节点根据自己与簇头节点的距离来选 择要加入的簇;簇头节点根据自己与协调节点间的距离来选择不同的传输方式;根据协调 节点与簇头节点的通信距离是否大于do,选择不同的能量消耗模型。
[0008]进一步，所述步骤1中，终端节点上安装有传感器、摄像头和zigbee模块，协调节点 和现场控制器都被安放在实际应用中的一台巡迹机器人小车上，同时小车上还安装有音频 传感器、摄像头和多种环境传感器等装置，且这些部件直接与现场控制器tiny6410有线连 接。
[0009]进一步，所述步骤2中，根据网络节点的阈值T(n)选择出簇头节点，普通节点成为 簇头节点是由当前网络中的簇头节点的比例、普通节点是否曾经成为簇头节点以及它剩余 的能量这三个条件共同决定的；满足能量条件的节点将产生一个〇到1的随机数;如果这个 数字小于阈值Τ(η)，则此节点在这一轮中成为簇头节点；如果一个节点曾经被选为簇头节 点，只要此节点还满足参与竞选簇头的条件，其在1/Ρ-1轮中还可以参与簇头节点的竞选。 [00?0]进一步，所述步骤2中，选择好簇头节点后，其他节点根据自己与簇头节点的距离 来选择要加入的簇的具体过程：
[0011]簇头节点向整个无线传感网络广播自己成为簇头节点的信息，其他节点根据自己 与簇头的距离来决定加入哪个簇，主要是通过判断广播信息的信号强度来实现;这些节点 发出一个请求加入信号，此信号包含了所要加入的簇头节点的ID，节点自身的ID以及自身 的当前能量;通过这些信息，计算出网络中所有节点的平均能量。
[0012] 进一步，所述步骤2中，簇头节点根据自己与协调节点间的距离来选择不同的传输 方式的具体过程为：
[0013] 分簇完成以后，簇头节点基于TDMA协议创建一张时序表，通过此时序表，在不发送 数据的时间内，普通节点可以关闭他们的接收端，从而降低节点的能量消耗;在普通节点生 成数据以后，首先把数据传输给簇头节点，簇头节点整合收集到数据，去除一些冗余的信 息；当簇头节点距离协调节点较近时，簇头节点直接把数据传输给协调节点；而当簇头节点 距离协调节点较远时，簇头节点则把数据暂时存储起来，随着协调节点的移动，如果协调节 点移动到距离簇头节点较近时，簇头节点再把收集到的数据传输给协调节点。
[0014] 进一步，所述步骤2中，根据协调节点与簇头节点的通信距离是否大于do,选择不 同的能量消耗模型的具体内容为：
[0015] 如果传输距离小于do,能量消耗与传输距离d的二次方成正比例关系；而如果传输 距离大于do,则能量消耗将与d的四次方成正比例关系；
[0016]如果簇头节点和协调节点之间的距离小于do,簇头节点直接把数据传输给协调节 点；如果簇头节点和协调节点之间的距离大于do,簇头则把数据暂时存储起来，当协调节点 移动到距离其小于do时，簇头再把信息传送给协调节点。
[0017]本发明的有益效果是:采用基于嵌入式和无线传感网络等技术构建猪舍环境监控 方法。在此基础上，重点对其中的无线传感网络中的路由算法进行了改进，提出了一种含有 移动协调节点与数据暂存机制的能量优化路由算法。通过考虑缩短簇头与协调节点间信息 传输距离，在已有的算法基础上引入了一个可移动的协调节点和簇头节点的暂存机制，形 成一种新的路由算法。该算法很好地解决了簇头节点能量消耗过快以及新节点的加入等问 题。该算法中，移动协调节点沿着给定的轨道运动，当其距离簇头较近时，簇头把自己的数 据直接传输给协调节点。而当协调节点距离簇头较远时，簇头则先把数据暂时存储起来，当 协调节点移动到此簇头附近时，此簇头再把数据传输给协调节点。在传输数据之前，簇头基 于TDMA协议创建一张时序表，终端节点可